為了有效信息傳輸和通信，5G和6G網(wǎng)絡(luò)需要更多的天線、更大的帶寬和更高的基站密度。因此，未來幾年對(duì)射頻電子器件的需求將飆升。例如，到2025年全球5G基站的數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到6500萬個(gè)。隨著射頻電子設(shè)備，特別是移動(dòng)終端的爆炸性增長，電磁污染也是亟需解決的難題。

幾十年來，射頻電子器件和電磁屏蔽材料通常都是由金屬基結(jié)構(gòu)制成的。然而，隨著對(duì)柔性、高度集成度、輕量化、制造工藝以及在更高頻率下工作的需求不斷增長，基于金屬材料的結(jié)構(gòu)難以滿足射頻電子器件的發(fā)展需求。此外，隨著電子產(chǎn)品數(shù)量的增加，電子垃圾對(duì)環(huán)境的影響越來越大，下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展變得至關(guān)重要。

自首次開發(fā)以來，無線通信和電磁干擾 (EMI) 屏蔽設(shè)備中的導(dǎo)電材料主要由金屬結(jié)構(gòu)制成。武漢理工大學(xué)何大平團(tuán)隊(duì)提出了一種石墨烯組裝薄膜（GAF），可用于在此類實(shí)用電子產(chǎn)品中替代銅。

GAF的優(yōu)勢(shì)

基于 GAF 的天線具有很強(qiáng)的防腐性能

圖1：GAF作為偶極子天線及其防腐性能。( A ) GAF 和銅偶極子天線的數(shù)碼照片，( B ) 不同材料天線在帶寬中的測(cè)量增益。( C ) 不同材料天線在 865 MHz 下的增益。( D ) GAF 天線的 3D 輻射方向圖仿真。( E ) GAF 和銅天線的 E 平面和 H 平面的輻射方向圖。( F和G )分別是E平面和H平面輻射方向圖的測(cè)量環(huán)境。( H ) 參考文獻(xiàn)中的偶極子天線增益與本工作結(jié)果的比較。（J) 經(jīng)過 1 周和 2 周鹽霧處理后的 GAF 和銅偶極天線的數(shù)碼照片。( K ) 測(cè)量和模擬 |S 11 | GAF 天線，初始，1 周和 2 周鹽霧后。( L ) 測(cè)量 |S 11 |銅天線，初始、1 周后和 2 周鹽霧。( M ) 在 865 MHz 下測(cè)量的 GAF 和銅天線在初始鹽霧、1 周后和 2 周鹽霧情況下的增益。

經(jīng)過兩周的鹽霧處理，增益、反射系數(shù)等電性能保持不變，而銅天線被腐蝕破壞。

更高的工作帶寬

GAF超寬帶天線覆蓋3.7 GHz至67 GHz的頻率范圍，帶寬（BW）為63.3 GHz，比銅箔天線超過約110%。與銅天線相比，GAF第五代（5G）天線陣列具有更寬的帶寬和更低的旁瓣電平。我們還證實(shí)，GAF 超材料作為靈活的頻率選擇表面，表現(xiàn)出有前途的頻率選擇特性和角度穩(wěn)定性。

更高的電導(dǎo)率

GAF電導(dǎo)率高達(dá)2.58×106 S/m。經(jīng)過200000次彎曲試驗(yàn)（彎曲半徑為1.5mm），石墨烯組裝膜可以保持其高柔性和導(dǎo)電性，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)損傷。為了研究石墨烯組裝膜在5G技術(shù)和柔性電子領(lǐng)域的能力，他們展示了基于石墨烯的柔性共面波導(dǎo)傳輸線和諧振器在各種扭曲條件下的性能穩(wěn)定性。石墨烯基的偶極天線具有良好的反射系數(shù)和高增益性能，與銅天線相當(dāng)。

更出色的電磁屏蔽效能

圖2：GAF應(yīng)用于EMI防護(hù)。( A – F ) 在 2.6 GHz 至 0.32 THz 頻率范圍內(nèi)，15 μm 和 50 μm 厚度的 GAF 以及 10 μm 和 50 μm 厚度的銅的 EMI SE（圖例相同），( A ) 2.6至 18 GHz（矩形波導(dǎo)法），( B ) 18 至 26.5 GHz（矩形波導(dǎo)法），( C ) 26.5 至 40 GHz（矩形波導(dǎo)法），( D ) 40 至 67 GHz（自由空間法），( E ) 75 至 110 GHz（自由空間方法），以及 ( F ) 0.22 至 0.3235 THz（自由空間方法）。?

GAF 的 EMI 屏蔽效能 (SE) 也優(yōu)于銅，在 2.6 GHz 至 0.32 THz 頻率范圍內(nèi)高達(dá) 127 dB，每單位厚度的 SE 為 6,966 dB/mm。優(yōu)于相同厚度的銅材料。

在完全的電磁屏蔽之外，很多情況下對(duì)電磁場(chǎng)的選擇性屏蔽也很重要，以保證其他頻段的正常傳輸。FSS作為超材料的一員，由結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成，可以選擇性地吸收、反射和傳輸電磁波，是實(shí)現(xiàn)頻率選擇的有效途徑。GAF FSS的選頻性能經(jīng)過測(cè)試后在0°~40°的彎曲角度變化范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，在電磁波±30°入射角范圍內(nèi)保持了良好的選頻性能。具備較高的角穩(wěn)定性。

GAF 制造

圖3：GAF表征。?( A ) 橫向尺寸為 108 μm 的典型大尺寸 GO 片的 TEM 圖像。( B )通過在SiO 2表面上滴鑄LGO溶液制備的LGO片材的光學(xué)顯微鏡圖像。插入的是相應(yīng)的LGO尺寸分布的統(tǒng)計(jì)研究。( C ) GAF 的 XRD 圖譜和拉曼光譜。( D ) GAF、石墨、高取向熱解石墨 (HOPG) 和典型片狀尺寸 GO 組裝薄膜 (TGF) 的電導(dǎo)率總結(jié)，插圖為 SAXS 圖案。（E）GAF經(jīng)過20萬次重復(fù)彎曲測(cè)試后的電阻變化，證明持久的柔韌性和穩(wěn)定性。( F ) 860 MHz趨膚深度與化學(xué)還原、真空過濾、熱還原GO膜等方法制備的GF、石墨烯墨水、碳納米管(CNT)和MXene的導(dǎo)電層厚度相關(guān)。( G和H ) MTL 的模擬 ( G ) 和測(cè)量 ( H ) 傳輸系數(shù)。( I和J ) 不同頻率 ( I ) 和電導(dǎo)率 ( J )下的導(dǎo)體損耗。?( K) 柔性 GAF FCPW TL 彎曲直徑為 60 毫米、40 毫米、20 毫米并扭轉(zhuǎn) 180°。( L ) FCPW TL 在 10 MHz 至 40 GHz 頻段之間不同狀態(tài)下的傳輸系數(shù)。( M ) 不同扭轉(zhuǎn)條件下的柔性 GAF λ/4 短路諧振器：未扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn) 90°、180°、360° 和 540°。( N ) 在 10 MHz 至 12 GHz 頻段之間不同扭轉(zhuǎn)條件下諧振器的反射系數(shù)結(jié)果。

已采用兩種主要方法來實(shí)現(xiàn)石墨烯基層壓板的高導(dǎo)電性。首先，研究團(tuán)隊(duì)最大化了石墨烯微晶的尺寸，這使研究團(tuán)隊(duì)能夠減少接觸電阻的影響。其次，研究團(tuán)隊(duì)引入了二次退火工藝和特殊的組裝技術(shù)，可以將此類石墨烯微晶高度層壓、無缺陷地組裝成連續(xù)薄膜。

首先，GO是通過改進(jìn)的Hummers方法制備的。分離并收集極LGO，并用作薄膜制造前驅(qū)體。經(jīng)過七次重復(fù)離心后，LGO 從 GO 懸浮液（3 wt.%）中分離出來（每次收集底部 30% GO）。通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行LGO橫向尺寸統(tǒng)計(jì)研究：LGO橫向尺寸>75 μm 占 74%，54% 的 LGO >100 μm。典型的薄片尺寸氧化石墨烯（TGO）在合成時(shí)被使用并用作對(duì)照實(shí)驗(yàn)。LGO組裝薄膜是通過在自剝離基材（例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜）上預(yù)先計(jì)量的LGO水凝膠輥轉(zhuǎn)移涂層來制備的。

隨后，將基底上的LGO水凝膠加熱（70至80℃）進(jìn)行干燥。此后，柔軟的深棕色獨(dú)立式紙狀GO薄膜（LGO薄膜）可以很容易地從PET基材上剝離下來。在此步驟中，LGO水凝膠的各向異性液晶行為可以在力導(dǎo)向滾動(dòng)轉(zhuǎn)移后產(chǎn)生預(yù)排列的取向結(jié)構(gòu)。

這種高度有序的層壓板可以通過高溫石墨化工藝轉(zhuǎn)化為米長尺寸的原始玻璃纖維。LGO薄膜在兩個(gè)石墨板之間的Ar氣氛中在1,300℃下熱退火2小時(shí)，在2,850℃下熱退火1小時(shí)，以進(jìn)行還原和石墨結(jié)晶。GAF 中巨大的結(jié)晶石墨域尺寸是由鄰近的還原性 LGO 片材合并形成的。

初次高溫退火后，GF 完全石墨化，使得無懸掛鍵的石墨烯納米片能夠通過大面積的平面接觸相互平鋪。進(jìn)一步引入300 MPa壓力的滾動(dòng)壓縮以獲得最終的GAF。隨后的滾動(dòng)壓縮有助于消除層間間隙和接觸電阻，也帶來優(yōu)異的柔韌性。

在軋制壓縮之后，在Ar氣氛中進(jìn)行2850℃的二次高溫退火工藝，以進(jìn)一步消除軋制過程中的結(jié)構(gòu)損傷，以提高導(dǎo)電率。使用相同的方法但從 TGO 獲得 TGF。

結(jié)論

何大平團(tuán)隊(duì)展示了輕質(zhì)、柔性、機(jī)械超耐用、化學(xué)穩(wěn)定性高和超高導(dǎo)電GAF結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于5G多頻段WCE和電磁防護(hù)，以直接比較和克服銅基電子產(chǎn)品的一些主要問題。這些基于 GAF 的 5G 電子設(shè)備可以設(shè)計(jì)成各種復(fù)雜的模式并集成到通信系統(tǒng)中，以在整個(gè)微波通信頻段實(shí)現(xiàn)廣泛的高級(jí)功能。?

GAF還在微波和太赫茲頻段表現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁屏蔽性能，并且可以設(shè)計(jì)并制作成超材料來實(shí)現(xiàn)選擇性電磁波屏蔽。何大平團(tuán)隊(duì)的研究表明，高導(dǎo)電GF可以用作射頻領(lǐng)域的替代全功能和可持續(xù)材料，它可以以更高效和可持續(xù)的方式支持當(dāng)前和下一代柔性電子、WCE和EMI屏蔽應(yīng)用。石墨烯宏觀薄膜可以用作當(dāng)前和下一代設(shè)備中功能齊全且可持續(xù)的替代品。

編輯：黃飛

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